初中生物學六種教材中“光合作用”實驗的比較

廖涌權

(海南省五指山中學 五指山 572299)

1 六個版本教材的實驗設置

六種教材都有設置相應的實驗，幫助學生建構“光合作用”的概念，但設置的具體實驗有所差異，具體如表1。

表1 六種教材中“光合作用”實驗的設置

通過表1可知，蘇科版設置的實驗數量最少，其中“光合作用的原料”這一內容未設置實驗，而北師大版教材設置的實驗數量最多，相對完全。

六種教材都在“光合作用的條件和產物”這一內容設置實驗，雖然裝置略有差異，但其探究過程、方法基本一致。“光合作用需要二氧化碳”的實驗，除蘇科版以STS閱讀材料“溫室里的‘氣肥’”呈現外，其他教材均設置相應實驗。其中，蘇教版的處理是直接給出實驗裝置圖、方法和結果，供學生討論。而“光合作用需要水作為原料”這一內容難以在初中階段設置實驗證明，各教材都未對這一內容詳細提及；蘇教版和河北版則以資料的形式介紹了魯賓、卡門的實驗過程。對于“光合作用的場所”，各教材均設置了“觀察葉片的結構”實驗；但人教版、濟南版都在學習光合作用前的“蒸騰作用”一節安排此實驗，在實驗過程中未注重對葉綠體的觀察；蘇教版專門設置實驗，觀察黑藻中的葉綠體；北師大版則通過“驗證光合需要葉綠素”實驗引導學生推測“光合作用”的場所在葉綠體；蘇科版則通過對葉柄、葉片和莖，銀邊長春藤的綠色和白色部分的結構比較，推測出“光合作用”的場所在葉綠體。

2 實驗設計的比較及其改進

2.1 綠葉在光下制造有機物 六種教材均設置本實驗，因為通過本實驗能夠讓學生明確光合作用的條件和產物。為幫助學生理解光合作用的實質(即合成有機物，貯存能量)、構建“光合作用”的概念提供事實性依據。此外，本實驗可替代天竺葵的實驗材料較多，需要的主要儀器(如三腳架、燒杯、酒精燈、培養皿、石棉網和鑷子等)和主要試劑(碘液、酒精等)都是實驗室中較為常見的，各級各類學校大都具備開設本實驗的條件。

六種教材均在實驗步驟中以圖文結合的形式進行描述，其步驟為： 暗處理→半葉遮光照射→酒精水浴加熱脫色→清水漂洗→滴加碘液并洗去浮色→觀察現象，給出的實驗流程圖基本一致。

六種教材均設置實驗討論環節，幫助學生深刻理解各個步驟的目的。典型討論問題如下(表2)：

由表2可知，蘇科版對暗處理的目的未作討論，而是直接在步驟描述時告訴學生答案。而用黑紙片遮光的目的，蘇教版和蘇科版未作討論、也未作描述。如果教師在授課過程中不加入此類問題的討論，學生難以理解對照實驗設置的緣由。對于“光合作用”的產物是什么，人教版和蘇科版都是直接設問。而其他四種教材則是通過引導學生從實驗現象分析、推斷出“光合作用”的產物，問題具有一定的層次性，為學生提供了回答問題的思路。

表2 六種教材在“綠葉在光下制造有機物”實驗中設置的典型討論問題

蘇科版中設置的其他討論問題：“家里種植的花草如果長時間放在黑暗處會死去。小麥在子粒形成期間遇到陰雨天氣，就會造成減產。你能說出其中的原因呢嗎？”對于此類問題，需要學生充分理解“光合作用”的過程和實質后才能回答，對學生的能力要求較高。

北師大版和河北版均設置關于酒精脫色的問題，但有所差異。河北版的問題為：“葉片放在酒精中加熱處理的目的是什么？為什么要水浴加熱？”，而北師大版的敘述為：“你怎樣解釋在酒精溶液中的綠葉脫色而使酒精溶液變綠的實驗現象？”對于兩種方式的提問，北師大版中的提問對學生理解為什么要進行這一步驟的原因幫助不大，而河北版的提問則可讓學生明確設置此步驟的原因，并能起到一定的安全警示作用。

對于本實驗創新建議主要有兩點： ①如果能在進行實驗的同時，對光照后的銀邊天竺葵等植物葉片進行脫色、滴加碘液的操作，能讓學生明確“光合作用”的條件除了光，還需要色素，并由此推測出綠色植物進行光合作用的場所是在葉綠體；②六種教材普遍選用的實驗材料是天竺葵，但天竺葵在海南并不常見。筆者曾嘗試用其他實驗材料(黃花酢漿草[1]、蔓花生和地瓜葉)與天竺葵的實驗效率進行對比。發現如果換用黃花酢漿草、蔓花生進行實驗，能明顯縮短實驗時間(暗處理、半葉遮光后的照射和葉片脫色等)。在試劑使用量、實驗效果方面也更具優勢。而本地黃花酢漿草、蔓花生普遍易得，可以嘗試使用。

2.2 “光合作用”制造氧氣 通過此實驗，學生能夠直觀感受光合作用產生了氧氣，并以此為佐證，構建光合作用概念。本實驗裝置簡單，需要的主要實驗儀器(如試管、玻璃管、透明廣口瓶、導管、漏斗和燒杯等)和實驗材料(如金魚藻、木條和衛生香等)都是常見易得的，大多學校都具備條件開設此實驗。因此，六種版本教材均設置此實驗。其實驗步驟都是利用植物在光照下產生氧氣并收集氧氣→用帶火星的木條檢驗→得出結論。其中，濟南版和蘇科版呈現的實驗裝置簡單、易于操作。

從表3可看出，人教版、蘇教版直接讓學生討論“光合作用”產生了什么氣體或嘗試說明上述現象的原因。北師大版、河北版和濟南版中設置的討論都是先提問觀察到的實驗現象，再讓學生討論這種現象說明的問題，問題具有遞進性和層次性，更有利于學生基于實驗現象展開討論。而蘇科版未設置討論，與其將本實驗放在資料庫中作為拓展實驗有關。

表3 六種教材在“光合作用”產生氧氣實驗中設置的討論問題

教材推薦使用金魚藻作為實驗材料，如果沒有金魚藻，首先想到選用黑藻等其他水植物替代。也可打破常規思維，嘗試使用陸生植物替代藻類完成實驗。筆者曾參照北京國子監中學的創新實驗[2]，分別選用金魚藻、豌豆尖、水芹和茼蒿菜放置在質量分數為1%的碳酸氫鈉溶液中接受陽光照射2.5h，通過排水集氣法測得氧氣的產生情況，發現豌豆尖是最理想的替代材料，水芹次之。此外，將清水換成質量分數為1%～2%的碳酸氫鈉溶液，能夠在較長時間保持較高的氧氣產出率。

2.3 光合作用需要二氧化碳 六種教材中，只有蘇科版未設置此實驗，使得學生難以直觀獲取光合作用需要利用二氧化碳這一事實。人教版則提供相應的資料信息，讓學生自行設計實驗。其余四個版本教材均提供實驗裝置圖示供學生參考。

人教版、北師大版、河北版和蘇教版開展本實驗的原理都是利用氫氧化鈉溶液吸收密閉裝置中的二氧化碳作為實驗組，放置清水的密閉裝置作為對照組。實驗裝置相對簡單，但需要對葉片進行脫色處理和滴加碘液的操作。而濟南版則是利用二氧化碳傳感器、氣液相多功能采集裝置、數據傳感器等監控密閉容器中的二氧化碳濃度變化，并連接計算機用相應軟件記錄裝置內的二氧化碳濃度變化。它能夠定量記錄裝置中的二氧化碳濃度變化，并以坐標圖的形式呈現實驗結果，更加直觀、精確；也不需要進行葉片脫色和滴加碘液的操作，簡化實驗步驟。但是，該方法對儀器設備和教師的計算機運用技能要求較高，大多數農村學校不具備開展此實驗的設備和技術條件。

河北版習題中呈現的實驗裝置除了保留蘇教版實驗裝置僅需一棵植株進行實驗的優點外，還避免了錐形瓶和鐵架臺的架設，使實驗操作更加簡單易行。

2.4 觀察葉片的結構 北師大版、蘇教版和河北版將此實驗放在光合作用相關章節，通過對葉片結構(葉綠體)的觀察，一方面可讓學生認識到葉片之所以是大多數綠色植物進行“光合作用”的主要器官，是因為其葉肉細胞中含有大量葉綠體，葉綠體是綠色植物光合作用的場所；另一方面學生可觀察到氣孔，在教師引導下對氣孔與二氧化碳的獲取和氧氣釋放有更為清晰的認識，為“光合作用”概念的建構提供事實性依據。

人教版和濟南版將此實驗放在“蒸騰作用”一節，著重強調葉片的結構和氣孔在蒸騰作用中的作用；而蘇科版則把此實驗放在七年級下冊第9章“生物體有相似的結構層次”中，著重強調構成葉片的不同形態細胞形成的組織。這三個版本教材在此實驗中都未注重對葉綠體的觀察，也未注重氣孔功能與光合作用的聯系。但蘇科版設置了觀察葉綠體的實驗，彌補了這一不足。

多種教材在實驗材料的選用上都只是提到新鮮葉片，未提及具體的葉片種類。人教版推薦使用的是蠶豆或菠菜葉片，但蠶豆在南方地區種植很少，所以實驗一般選用菠菜葉做葉橫切。但菠菜葉容易失水萎蔫，葉子卷曲，不便于切取。若用水將菠菜泡起來，葉子脆變，導致切片上(下)表皮容易缺失。通過選用多種葉片實驗(雙刀夾切法)發現，綠蘿葉片做葉橫切片效果最佳。而切片的制取方法除了蘇科版提供的是單刀片法外，其他五個版本教材均選用的是雙刀夾切法。雙刀夾切法對于初學者來說，操作方法更為容易掌握，安全系數也更高。

2.5 光合作用需要葉綠素 學生通過開展此實驗，可以驗證“光合作用”進行需要葉綠素，并推測出“光合作用”的場所在葉綠體。北師大版選用銀邊翠、銀邊天竺葵、彩葉草等斑葉植物作為實驗材料，蘇科版則利用銀邊天竺葵、銀邊長春藤、青菜(分別選取根、莖、葉片和葉柄)作為實驗材料。其實驗流程均為先光照，再脫色滴加碘液，觀察綠色部位與非綠色部位的現象。通過此現象的觀察，更有利于學生對“光合作用”條件的理解。

2.6 觀察葉綠體 只有蘇教版設置了此實驗，目的是為了讓學生通過親身體驗，加深對“光合作用”場所的認識。其他教材鑒于已設置觀察葉片結構的實驗，就沒有設置此實驗的必要了。

3 實驗優化

目前，較少的生物學課時無法保證以上實驗全部開出。因此，可通過整合、優化實驗，達成多級探究目標就能解決這一矛盾。通過比較研究發現，如果在驗證“綠葉在光下制造有機物”實驗中，使用銀邊常春藤或銀邊天竺葵等斑葉植物替代天竺葵，除了能夠驗證綠葉在光下制造淀粉，探究光是綠色植物“光合作用”的必要條件外，還能拓展延伸實驗內容，驗證綠色植物進行“光合作用”需要的另一必要條件——光合色素，并由此推測出“光合作用”的場所是葉綠體。

在使用廢棄的礦泉水瓶作為反應裝置驗證“光合作用制造氧氣”的實驗中，往溶液中滴加BTB(溴麝香草酚藍)，在驗證“光合作用”產生氧氣的同時，還能根據光照后溶液顏色的變化驗證光合作用需要二氧化碳作為原料(圖略)，以優化實驗步驟和實驗效果，實現多級探究目標的達成。

學生只需通過以上兩個實驗即可獲得大量關于“光合作用”的原料、產物和條件等事實性知識，再結合“光合作用”科學史、光合作用原理在農業生產上的應用的介紹，即可生成“光合作用”這一重要概念。